Um princípio fundamental da Relatividade Geral acabou de passar no teste mais rigoroso até agora

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Uma ilustração do satélite do microscópio na órbita da Terra. (Créditos: CNES, 2015/D Ducros)

Traduzido por Julio Batista
Original de Michelle Starr para o ScienceAlert

Um princípio central da teoria geral da relatividade de Einstein acaba de passar no teste mais rigoroso até agora.

Usando um satélite especialmente projetado, uma equipe internacional de cientistas mediu as acelerações de pares de objetos em queda livre na órbita da Terra. Resultados baseados em dados de cinco meses indicaram que as acelerações não diferiram em mais de uma parte em 1015, descartando quaisquer violações ao princípio da equivalência fraca nessa escala.

princípio da equivalência fraca é relativamente simples de observar, afirmando que todos os objetos aceleram identicamente no mesmo campo gravitacional quando nenhuma outra influência atua sobre eles, independentemente de sua massa ou composição.

Talvez tenha sido mais famosamente demonstrado com efeito dramático em 1971, quando o astronauta Dave Scott deixou cair um martelo e uma pena simultaneamente da mesma altura enquanto estava na Lua. Sem resistência do ar para desacelerar a pena, os dois objetos caíram na superfície da Lua na mesma velocidade.

O novo experimento, chamado MICROSCOPE e liderado pelo falecido físico Pierre Touboul, foi um pouco mais rigoroso do que a demonstração de Scott. Envolveu um satélite circulando sobre a Terra em órbita de 25 de abril de 2016 até sua desativação em 18 de outubro de 2018.

Durante esse período, a equipe realizou vários experimentos usando massas suspensas em queda livre, fornecendo um total de cinco meses de dados. Dois terços desses dados envolveram testes com pares de massas de diferentes composições, ligas de titânio e platina. O terço restante envolveu um par de massas de referência da mesma composição de platina.

O equipamento experimental utilizou forças eletrostáticas para manter as duas massas de teste na mesma posição uma em relação à outra. Se houvesse alguma diferença na aceleração – uma métrica conhecida como razão ou parâmetro de Eötvös – o equipamento registraria mudanças nas forças eletrostáticas que mantêm as massas no lugar.

Os primeiros resultados divulgados em 2017 foram promissores, não encontrando violação do princípio da equivalência fraca até um parâmetro de Eötvös de −1±9 x 10−15. No entanto, o satélite ainda estava operacional e produzindo dados, o que significava que o trabalho não estava concluído. O conjunto de dados completo consolida essas descobertas iniciais, restringindo o parâmetro de Eötvös a 1,1×10−15.

Este é o limite mais rígido do princípio da equivalência fraca até o momento, e é improvável que seja ultrapassado em breve. Isso significa que os cientistas podem continuar a confiar na relatividade geral com mais confiança do que nunca e colocar novas restrições na interseção entre a relatividade geral e a mecânica quântica, dois regimes que operam sob regras diferentes.

“Temos restrições novas e muito melhores para qualquer teoria futura, porque essas teorias não devem violar o princípio da equivalência neste nível”, explicou o astrônomo Gilles Métris, do Observatório Côte d’Azur, na França.

Este é um resultado espetacular, já que o equipamento, projetado para trabalhar no ambiente de microgravidade da órbita terrestre, não pôde ser testado antes do lançamento. Agora que o projeto MICROSCOPE foi concluído com sucesso, a equipe pode usar os resultados para projetar um teste ainda mais rigoroso.

Esses testes ajudarão a sondar as limitações da relatividade geral, uma estrutura que descreve a gravitação no espaço-tempo físico. Em escalas atômicas e subatômicas, no entanto, a relatividade geral entra em colapso e a mecânica quântica assume o controle. Os cientistas vêm tentando resolver as diferenças entre as duas há algum tempo. Descobrir precisamente onde a relatividade geral falha pode ser uma maneira de fazer isso.

Sabemos agora que essa falha não ocorre até uma parte em 1015 para equivalência fraca. Melhorias específicas que podem ser feitas para a próxima iteração do satélite podem sondar até o nível de uma parte em 1017. Isso vai levar algum tempo para realizar, no entanto.

“Por pelo menos uma década ou talvez duas, não veremos nenhum avanço com um experimento de satélite espacial”, disse o engenheiro físico Manuel Rodrigues, do centro nacional de pesquisa aeroespacial francês (ONERA).

Mas suspeitamos que esses resultados serão suficientes para continuar por enquanto.

O incrível trabalho da equipe foi publicado na Physical Review Letters e uma edição especial da Classical and Quantum Gravity.